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Nature:科学家成功操纵动物神经系统
点击次数:748 更新时间:2012-10-18

在寻求大脑将感觉输入信号转变为行为机制的理解中,哈佛大学的科学家们跨过了一个重要的门槛。利用靶向的激光,研究人员控制了一个动物的大脑,命令它按他们选择的任何方向转动,甚至输入假的感觉信息欺骗动物,让它以为食物就在附近。

在这篇发表在9月23日《自然》(Nature)杂志上的论文中,由分子和细胞生物学及应用物理学助理教授Sharad Ramanathan的研究小组描述他们通过操纵秀丽隐杆线虫“脑部”的神经元对其进行了控制。

Ramanathan说这项工作非常重要,因为通过在相对简单的动物(线虫只有302个神经元)中控制复杂行为,我们能够了解它的神经系统是如何发挥功能的。

Ramanathan说:“如果我们能够了解简单的神经系统到*控制它们的程度,那么或许有可能我们能够获得对更复杂系统的全面了解。这为我们提供了一个框架思考神经回路,如何操纵它们,其中操控了哪条回路,生成了哪些活动模式。”

他补充说:“在文献中极其重要的工作侧重在除去神经元,或研究影响神经元功能的突变以及绘制整个神经系统的连接。这些方法大多数是通过破坏来发现特异行为所必需的神经元。我们一直试图解答的问题是:不破坏系统来了解它,我们能否实质上劫持这些足以控制行为的关键神经元,并利用这些神经元来迫使动物完成我们所想的事情?”

在Ramanathan和他的研究小组开始解答这一问题之前,他们还需要克服一些技术挑战。

利用遗传工具,研究人员对神经元发出荧光的线虫进行了遗传工程操作,使得可在实验过程中对它们进行追踪。研究人员还改变了线虫的基因使神经元对光线敏感,这意味着它们可以用激光脉冲激活。

zui大的挑战是开发追踪线虫所需的硬件以及在一秒钟内靶向准确的神经元。

他解释说:“我们的目标是只激活一个神经元。这非常具有挑战性因为动物在移动,神经元密集地聚集在头部附近,因此获得动物的图像,处理这一图像,识别神经元,追踪动物,定位你的激光并射向特异神经元——在20毫秒内或每秒大约50次完成所有的事情是一个挑战。当我们开始时工程操作的挑战似乎是不能克服的,但Askin Kocabaszui终发现了克服这些挑战的途径。”

研究人员zui终开发的系统利用了一种可移动的工作台使得爬行的线虫置于一条相机和激光下。Ramanathan说他们还定制了计算机硬件和软件确保了系统能够以他们需要的瞬间速度运作。

他说zui终的结果系统不仅能够控制线虫的行为,还能控制它们的感觉。在论文描述的一项测试中,研究人员利用该系统欺骗线虫大脑相信食物就在附近,导致它径直朝着幻想的食物爬去。

展望未来,Ramanathan和他的研究小组计划探究该系统能够在线虫中控制的其他行为。其他努力包括设计新的相机和计算机硬件以将系统从20毫秒提速到1毫秒。速度提高将允许他们在更为复杂的动物如斑马鱼中测试该系统。

Ramanathan 说:“通过操纵这种动物的神经系统,我们能够让其左转,我们能够让其右转,我们能够让它转圈,我们能让它以为附近就有食物。我们希望了解这种只有几百个神经元的动物大脑,*且实质上将它转变为一种视频游戏,在游戏中我们能够控制它所有的行为。”

原文摘要:

Controlling interneuron activity in Caenorhabditis elegans to evoke chemotactic behaviour

Animals locate and track chemoattractive gradients in the environment to find food. With its small nervous system, Caenorhabditis elegans is a good model system1, 2 in which to understand how the dynamics of neural activity control this search behaviour. Extensive work on the nematode has identified the neurons that are necessary for the different locomotory behaviours underlying chemotaxis through the use of laser ablation3, 4, 5, 6, 7, activity recording in immobilized animals and the study of mutants4, 5. However, we do not know the neural activity patterns in C. elegans that are sufficient to control its complex chemotactic behaviour. To understand how the activity in its interneurons coordinate different motor programs to lead the animal to food, here we used optogenetics and new optical tools to manipulate neural activity directly in freely moving animals to evoke chemotactic behaviour. By deducing the classes of activity patterns triggered during chemotaxis and exciting individual neurons with these patterns, we identified interneurons that control the essential locomotory programs for this behaviour. Notably, we discovered that controlling the dynamics of activity in just one interneuron pair (AIY) was sufficient to force the animal to locate, turn towards and track virtual light gradients. Two distinct activity patterns triggered in AIY as the animal moved through the gradient controlled reversals and gradual turns to drive chemotactic behaviour. Because AIY neurons are post-synaptic to most chemosensory and thermosensory neurons8, it is probable that these activity patterns in AIY have an important role in controlling and coordinating different taxis behaviours of the animal.

 
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